一種利用廢棄纖維制作的電極材料及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用廢棄纖維制作的電極材料，應(yīng)用于電化學(xué)反應(yīng)上的一種電極材料領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)原料，所述基礎(chǔ)原料是廢棄纖維原料經(jīng)過(guò)高溫煅燒后碳化的纖維材料，高溫煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，并且經(jīng)過(guò)最終表面處理，而所述基礎(chǔ)原料是聚丙烯氰纖維、瀝青纖維、粘膠纖維、預(yù)氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質(zhì)纖維、棉纖維的其中一種或其中多種組成。依照本發(fā)明的電極材料，由于采用廢棄纖維來(lái)制作，降低了成本，提高企業(yè)的效益和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，但同時(shí)還具有高導(dǎo)電性和高電化學(xué)活性。
【專利說(shuō)明】一種利用廢棄纖維制作的電極材料及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種廢棄纖維材料的應(yīng)用，具體涉及一種采用廢棄纖維制作的應(yīng)用在電化學(xué)反應(yīng)上的電極材料以及這種電極材料的加工制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電極材料被廣泛的應(yīng)用于電池、水處理、海水淡化、電鍍、冶金等領(lǐng)域，主要用做電化學(xué)反應(yīng)的電極。但隨著產(chǎn)品應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和普及，對(duì)設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)要求越來(lái)越苛亥|J，越來(lái)越復(fù)雜，包括要求具備更高的反應(yīng)溫度、耐更強(qiáng)的腐蝕、更大的體積、更輕的重量、更大的容量、更高的功率、更高的效率和其它技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。例如在液釩電池的制造過(guò)程中，需要更大的尺寸，更高的效率、更大的容量，那么對(duì)生產(chǎn)這種電池的電極就提出更高的要求。如果電極的導(dǎo)電性、電化學(xué)活性不能滿足要求，那么不管用再好的電解液也生產(chǎn)不出高效的電池，而這其中最關(guān)鍵的就是電極材料的選擇，然而，目前國(guó)內(nèi)廠家主要采用的是傳統(tǒng)的電極材料或十分昂貴的進(jìn)口材料。傳統(tǒng)材料價(jià)格便宜，但是效率很低，而且無(wú)法突破技術(shù)瓶頸；而進(jìn)口材料十分昂貴，而且效率也沒(méi)有提高很多，所以亟待被提供一種性價(jià)比高、物美價(jià)廉的電極材料。
[0003]傳統(tǒng)電極材料主要采用國(guó)產(chǎn)氰綸作為主要原料，用這種原料制造的電極材料具有明顯的問(wèn)題和局限性:包括
1.纖維直徑大，相同尺寸的情況下，纖維數(shù)量少，比表面積小；
2.面密度大，單位成本高；
3.沒(méi)有進(jìn)行最終表面處理，電化學(xué)活性小；
4.結(jié)構(gòu)不適合做電極材料，內(nèi)阻較大；
5.雜質(zhì)多，電化學(xué)副反應(yīng)多。
[0004]基于現(xiàn)有技術(shù)的電極材料以上幾種性能的缺點(diǎn)，因此一種性價(jià)比高、物美價(jià)廉的電極材料就為電極材料領(lǐng)域所需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種新型的電極材料，采用廢棄纖維為原料，開(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)特殊、高導(dǎo)電、高純度、高活性的一種新型電極材料，以解決現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明的又一目的是提供一種電極材料的制造方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案:
一種利用廢棄纖維制作的電極材料，應(yīng)用于電化學(xué)反應(yīng)上的一種電極材料領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)原料，所述基礎(chǔ)原料是廢棄纖維原料經(jīng)過(guò)高溫煅燒后碳化的纖維材料，高溫煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，并且經(jīng)過(guò)最終表面處理。
[0008]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的電極材料，所述基礎(chǔ)原料為聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預(yù)氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質(zhì)纖維、棉纖維的其中一種或其中多種組成。
[0009]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的電極材料，所述電極材料的密度控制在0.08?0.12 g/cm3。
[0010]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的電極材料，所述電極材料的結(jié)構(gòu)是氈狀或者是布狀的。
[0011]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的一種利用廢棄纖維制作的電極材料，所述電極材料的纖維取向在厚度方向的纖維數(shù)量大于2%。
[0012]一種利用廢棄纖維制作復(fù)合保溫材料的制造方法，包括:
步驟1:將廢棄纖維原料進(jìn)行整理；
步驟2:進(jìn)行預(yù)氧化處理；
步驟3:進(jìn)行卷曲處理；
步驟4:進(jìn)行短切、開(kāi)松、梳理處理；
步驟5:形狀加工處理；
步驟6:進(jìn)行碳化處理；
步驟7:進(jìn)彳了石墨化處理；
步驟8:進(jìn)行最終表面處理、加入催化劑。
[0013]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的制造方法，步驟4中，開(kāi)松處理和梳理處理之間，還有一加入混雜纖維和防極化材料的步驟4-1。
[0014]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的制造方法，步驟5中的形狀加工是針刺成氈。
[0015]依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的制造方法，步驟5中的形狀加工是紡紗或編織成布 本申請(qǐng)的電極材料具有顯著的特點(diǎn):這種電極材料在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，具有很好的
耐酸堿腐蝕性和耐高溫性能，并且具有很好的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性，是各種電化學(xué)反應(yīng)尤其是電池反應(yīng)的理性電極材料。而且可廣泛應(yīng)用于各種電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)合，如液流電池、超級(jí)電容器、鈉硫電池、鋰電池、鋰硫電池、水處理、海水淡化等領(lǐng)域。用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨材料或金屬材料，可以有效減輕電池的重量和提高電池的儲(chǔ)能效率以及減少重金屬的污染。整體來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)的電極材料相比，本申請(qǐng)的電極材料最大的不同在于其具有高導(dǎo)電性同時(shí)具有高電化學(xué)活性。
[0016]由于采用了以上的技術(shù)使得本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果: 第一、本發(fā)明的電極材料，由于采用廢棄纖維來(lái)制作，降低了成本，提高企業(yè)的效益和
產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力；
第二、；經(jīng)過(guò)最終表面處理，電化學(xué)活性高，在相同電流密度的情況下獲得更高的功率，或者在相同的功率下獲得更高的電流密度，從而提高設(shè)備的效率；并且具有更細(xì)的纖維直徑，更高的比表面積；
第三、結(jié)構(gòu)內(nèi)阻很??；在常溫有氧環(huán)境中是惰性的，在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，具有很好的耐酸堿腐蝕性和耐高溫性能耐化學(xué)腐蝕。
[0017]第四、密度流體阻力很小；結(jié)構(gòu)、密度和活性可以設(shè)計(jì)，可以適用于不同的反應(yīng)場(chǎng)
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[0018]第五、雜質(zhì)少，副反應(yīng)少；在有氧環(huán)境中，溫度350度以下，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；而且質(zhì)輕，操作簡(jiǎn)單，減少勞動(dòng)負(fù)荷。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為碳纖維的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為石墨烯單層結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的一種采用廢棄PAN纖維制造電極材料的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。本發(fā)明涵蓋任何在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對(duì)本發(fā)明有徹底的了解，在以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中詳細(xì)說(shuō)明了具體的細(xì)節(jié)，而對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)的描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明的核心思想在于，采用廢棄纖維作為原料，制作一種新型電極材料，有效的提高和超越了傳統(tǒng)電極材料的性能，同時(shí)提供一種制作新型電極材料的方法，這種新型電極材料可以根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)、密度和活性，從而使用不同場(chǎng)合的應(yīng)用。為開(kāi)發(fā)重量輕、體積大、效率高、性能佳、成本低的電化學(xué)反應(yīng)設(shè)備做出了很大的貢獻(xiàn)。尤其是經(jīng)過(guò)混雜填充了陶瓷纖維、石墨烯或其它材料的復(fù)合產(chǎn)品，可以有效阻止由于電化學(xué)作用相對(duì)于電子運(yùn)動(dòng)的遲緩性改變了原有的電偶層而引起的電化學(xué)極化。
[0022]本申請(qǐng)?zhí)峁?一種利用廢棄纖維制作的電極材料，應(yīng)用于電化學(xué)反應(yīng)上的一種電極材料領(lǐng)域，這種電極材料包括基礎(chǔ)原料，所述基礎(chǔ)原料是廢棄纖維原料經(jīng)過(guò)高溫煅燒后可以碳化的纖維材料，高溫煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，并且可以經(jīng)過(guò)反復(fù)處理?？梢阅脕?lái)作為基礎(chǔ)原料的是聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預(yù)氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質(zhì)纖維、棉纖維的其中一種或其中多種組成。
[0023]另外，本申請(qǐng)的電極材料的密度根據(jù)要求設(shè)計(jì)的，一般密度控制在0.08~0.12g/cm3 ;而結(jié)構(gòu)可以是氈狀的也可以是布狀的；其中的纖維取向可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)，一般厚度方向的纖維數(shù)量占2%以上，在顯微鏡觀測(cè)下，本申請(qǐng)電極材料所用纖維直徑是現(xiàn)有技術(shù)電極材料所用纖維的1/2。
[0024]如面提到的石墨纖維可以是浙青基、PAN基、粘I父基和酌'!^基的其中一種；而石墨纖維的形狀可以是長(zhǎng)纖維、短纖維、研磨纖維、布、氈和紙的其中一種或其中多種組成。而做出來(lái)的電極材料的密度可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)成0.08~0.12 g/cm3。
[0025]碳纖維、石墨纖維是一種特殊的材料，請(qǐng)參考圖1為碳纖維的結(jié)構(gòu)示意圖；應(yīng)用在電極材料中的碳纖維或石墨纖維，經(jīng)過(guò)刀具或氣體破碎機(jī)破碎處理的短纖維、纖維粉體或兩者的混合，這種材料在纖維直徑方向和纖維長(zhǎng)度方向的傳導(dǎo)系數(shù)具有很大的差異性，在高精度顯微鏡下是液晶結(jié)構(gòu)，具有性能的各向異性。值得注意的是，由于這種材料在性能上的特殊性，所以可以根據(jù)纖維方向來(lái)調(diào)節(jié)電極材料的導(dǎo)電方向。應(yīng)用在新型電極材料中的碳纖維或石墨纖維的分布是根據(jù)具體的成型工藝決定纖維的排布方向，一部分按照設(shè)計(jì)要求取向，一部分是雜亂無(wú)章分布的，總體是種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主要的傳導(dǎo)方式是靠纖維搭接和介質(zhì)傳遞共同實(shí)現(xiàn)的?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整取向纖維和雜亂纖維的比例來(lái)調(diào)整電極材料的性倉(cāng)泛。[0026]石墨烯也是一種特殊的材料，請(qǐng)參考圖2為石墨烯單層結(jié)構(gòu)示意圖，石墨烯是從石墨中剝離出的石墨片，是僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，明顯比傳統(tǒng)的鱗片石墨或其他石墨材料要薄，性能也明顯不同，是完全不同的兩種物質(zhì)。這種材料在垂直鱗片方向和平行鱗片方向的傳導(dǎo)系數(shù)具有很大的差異性。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)的電極材料相比，本申請(qǐng)中的電極材料最大的不同在于本申請(qǐng)的新型電極材料，尤其是經(jīng)過(guò)最終表面處理的材料，具有很高的電化學(xué)活性，這種最終表面處理可以物理的也可以是化學(xué)的。碳纖維、石墨纖維是一種特殊的材料，這種材料在經(jīng)過(guò)最終表面處理后，纖維表面可以形成微孔，并可以嫁接有效官能團(tuán)或催化劑，可以有效提高電化學(xué)活性，而且這種活性點(diǎn)是永久存在的。
[0028]以下，則結(jié)合流程圖，對(duì)舉例以廢棄PAN纖維為原料來(lái)制造電極材料的工藝方法做出說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例一
如上所述，構(gòu)成本發(fā)明新型電極材料的一種基礎(chǔ)原料是廢棄PAN纖維。以下是一種制作以廢棄PAN纖維為原料的新型電極材料的方法。
[0030]請(qǐng)參考圖3，本實(shí)施例為一種采用廢棄PAN纖維為原料來(lái)制造電極材料的流程圖，可見(jiàn)，主要包括以下的步驟，包括:
S201:將廢棄PAN纖維原料進(jìn)行整理；
將廢棄的PAN纖維整理成束，上軸，備用。
[0031]S202:進(jìn)行預(yù)氧化處理；
將整理成軸的PAN纖維，放入預(yù)氧化爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)氧化，收軸。
[0032]S203:進(jìn)行卷曲處理；
將收軸的預(yù)氧絲放入卷取機(jī)進(jìn)行卷曲。
[0033]S204:將卷曲好的預(yù)氧絲進(jìn)行短切、開(kāi)松、加入混雜纖維和防極化材料、梳理處理；
將卷曲好的預(yù)氧絲放入短切機(jī)上短切成需要的長(zhǎng)度，然后放上開(kāi)松機(jī)進(jìn)行開(kāi)松處理，在開(kāi)松過(guò)程中加入特定長(zhǎng)度和品種的混雜纖維，還有加入防極化材料。尤其是經(jīng)過(guò)混雜填充了陶瓷纖維、石墨烯或其它材料的復(fù)合產(chǎn)品，可以有效阻止由于電化學(xué)作用相對(duì)于電子運(yùn)動(dòng)的遲緩性改變了原有的電偶層而引起的電化學(xué)極化，最后放入梳理機(jī)進(jìn)行梳理處理。
[0034]S205:形狀加工處理；
形狀加工是針刺成氈的形狀或者是紡紗或編織成布的形狀。
[0035]S206:進(jìn)行碳化處理；
進(jìn)行高溫煅燒，高溫煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行的高溫煅燒。
[0036]S207:進(jìn)行石墨化處理；
將碳化的氈或布放入石墨爐內(nèi)進(jìn)行石墨化處理，處理過(guò)程可以根據(jù)需要控制在不同的溫度范圍內(nèi)。
[0037]S208:進(jìn)行最終表面處理、加入催化劑。
[0038]可以物理的也可以是化學(xué)的。PAN纖維是一種特殊的材料，這種材料在經(jīng)過(guò)最終表面處理后，纖維表面可以形成微孔，并可以嫁接有效官能團(tuán)或催化劑，加入催化劑可以有效提高電化學(xué)活性，而且這種活性點(diǎn)是永久存在的。[0039]由于采用了以上的技術(shù)使得本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果: 第一、本發(fā)明的電極材料，由于采用廢棄纖維來(lái)制作，降低了成本，提高企業(yè)的效益和
產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力；
第二、經(jīng)過(guò)最終表面處理，電化學(xué)活性高，在相同電流密度的情況下獲得更高的功率，或者在相同的功率下獲得更高的電流密度，從而提高設(shè)備的效率；并且具有更細(xì)的纖維直徑，更高的比表面積；
第三、結(jié)構(gòu)內(nèi)阻很?。辉诔赜醒醐h(huán)境中是惰性的，在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，具有很好的耐酸堿腐蝕性和耐高溫性能耐化學(xué)腐蝕。
[0040]第四、密度流體阻力很??；結(jié)構(gòu)、密度和活性可以設(shè)計(jì)，可以使用不同的反應(yīng)場(chǎng)合。
[0041]第五、雜質(zhì)少，副反應(yīng)少；在有氧環(huán)境中，溫度350度以下，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；而且質(zhì)輕，操作簡(jiǎn)單，減少勞動(dòng)負(fù)荷。
[0042]第六、加入了防極化材料，可以有效防止電化學(xué)反應(yīng)的極化現(xiàn)象。
[0043]依照本發(fā)明的實(shí)施例如上文所述，這些實(shí)施例并沒(méi)有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施例。顯然，根據(jù)以上描述，可作很多的修改和變化。本說(shuō)明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明以及在本發(fā)明基礎(chǔ)上的修改使用。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種利用廢棄纖維制作的電極材料，應(yīng)用于電化學(xué)反應(yīng)上的一種電極材料領(lǐng)域，其特征在于，包括基礎(chǔ)原料，所述基礎(chǔ)原料是廢棄纖維原料經(jīng)過(guò)高溫煅燒后碳化的纖維材料，高溫煅燒是在真空爐或惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，并且經(jīng)過(guò)最終表面處理。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用廢棄纖維制作的電極材料，其特征在于，所述基礎(chǔ)原料為聚丙烯氰纖維、浙青纖維、粘膠纖維、預(yù)氧絲、酚醛纖維、碳纖維、石墨纖維、木質(zhì)纖維、棉纖維的其中一種或其中多種組成。
3.如權(quán)利要求2所述的一種利用廢棄纖維制作的電極材料，其特征在于，所述電極材料的密度控制在0.08?0.12 g/cm3。
4.如權(quán)利要求2所述的一種利用廢棄纖維制作的電極材料，其特征在于，所述電極材料的結(jié)構(gòu)是氈狀或者是布狀的。
5.如權(quán)利要求2所述的一種利用廢棄纖維制作的電極材料，其特征在于，所述電極材料的纖維取向在厚度方向的纖維數(shù)量大于2%。
6.一種利用廢棄纖維制作復(fù)合保溫材料的制造方法，其特征在于，包括: 步驟1:將廢棄纖維原料進(jìn)行整理； 步驟2:進(jìn)行預(yù)氧化處理； 步驟3:進(jìn)行卷曲處理； 步驟4:進(jìn)行短切、開(kāi)松、梳理處理； 步驟5:形狀加工處理； 步驟6:進(jìn)行碳化處理； 步驟7:進(jìn)彳了石墨化處理； 步驟8:進(jìn)行最終表面處理、加入催化劑。
7.如權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，步驟4中，開(kāi)松處理和梳理處理之間，還有一加入混雜纖維和防極化材料的步驟4-1。
8.如權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，步驟5中的形狀加工是針刺成氈。
9.如權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，步驟5中的形狀加工是紡紗或編織成布。
【文檔編號(hào)】H01M4/86GK103474125SQ201310409132
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】申富強(qiáng) 申請(qǐng)人:上海騏杰碳素材料有限公司